减速器构件轴系统化剖析摹拟的探讨

发布时间：2011/07/07　　来源：福建电机电器网　　作者：Huang　　　浏览：

　　1本文的研究在于探讨利用ANSYS软件的二次开发功能，以VC＋＋作为程序开发平台，运用APDL语言，基于VC＋＋和ANSYS的接口技术，开发出减速器齿轮轴的有限元分析应用程序，实现齿轮轴有限元分析的参数化建模与有限元分析的信息化，真正体现计算机辅助设计系统的特点，从而提高产品设计效率和设计质量，也使设计人员从繁重的设计中解放出来。 　　2有限元分析流程 　　在有限元分析过程中，主要是应用三个基本模块：预处理模块、分析计算求解模块和后处理模块。预处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便地构造有限元模型，实现参数定义、实体建模和网格划分三种功能。在分析计算求解模块中，是通过定义分析的类型、分析的选项、载荷数据和载荷步选项等，来对模型进行有限元的求解。对于后处理模块则主要是用来查看分析结果，从而得到位移、应力、应变等的图形和数字显示。 　　减速器齿轮轴的有限元分析流程。 　　3齿轮轴力学模型的建立 　　建立齿轮轴的力学模型，是实现减速器齿轮轴有限元分析的关键之一。对于二级减速器的齿轮轴来说，主要有输入轴、中间轴和输出轴3个，每个轴均有两个轴承支撑在箱体上，其中1个轴承限制齿轮轴空间5自由度，只允许转动，而另1个轴承则限制齿轮轴空间4个自由度，在允许转动的同时还允许轴向的游动。因此，在建立齿轮轴的力学模型时，将齿轮轴简化成简支梁结构。对于输入轴而言，轴一端外伸，安装联轴器或带轮，接受原动机输入的转矩，另一端安装齿轮，受到来自中间轴齿轮的轴向力和圆周力；对于中间轴来说，两轴承之间安装有两齿轮，分别受到来自输入轴和输出轴两齿轮传递来的轴向力和圆周力；而对于输出轴，则是一端外伸，通过联轴器，将动力输出，另一端则是安装齿轮。下面我们根据实际情况以减速器的输入轴为例，介绍一下齿轮轴的受力情况。 　　假设齿轮轴的传递功率为P，转速为n，斜齿轮分度圆螺旋角为！，标准压力角为'，小齿轮分度圆直径为d，则齿轮轴所受的转矩大小为：T＝9.55×106P／n对于直齿轮来说，齿轮轴受到齿轮传递来的各个力分别为：圆周力：Ft＝2Td，径向力：Fr＝Fttan'对于斜齿轮来说，齿轮轴受到齿轮传递来的各个力分别为：圆周力：Ft＝2Td，轴向力：F＝Fttan！ 　　径向力：Fr＝Fttan'ncos！ 　　（'n为法面压力角，标准斜齿轮'n＝20°）对于轴承支反力的大小及其方向，要根据齿轮轴的尺寸和齿轮施加给轴的各力的大小和方向来确定。根据以上的描述，最终简化的输入轴的力学模型。 　　4基于VC＋＋的ANSYS的二次开发 　　4.1ANSYS二次开发工具 　　ANSYS本身提供的二次开发工具主要有以下几种： 　　（1）宏 　　宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是参数化的用户小程序，可以当作ANSYS的命令处理，可以有输入参数或没有参数，宏程序文件也可以称为命令文件，通过宏程序可以创建自己的命令，从而方便ANSYS使用。 　　（2）参数化设计语言 　　APDL是一种非常类似于FORTRAN77的参数化设计解释性语言，它是对ANSYS进行二次开发的基础。作为一种解释性语言，用户可以利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令组织起来，编写出参数化的用户程序，完成一些通用性强的有限元分析任务，便可以实现对模型有限元分析的全过程，即建立参数化的分析模型、参数化的材料特性定义、参数化的网格划分与尺寸控制、参数化的加载和边界条件约束、参数化的分析类型控制和求解以及参数化的后处理等。 　　（3）用户界面设计语言 　　UIDL语言是ANSYS为用户提供专门进行编写或改造ANSYS图形界面的专用设计语言，允许用户改变ANSYS的图形用户界面（GUI）中的一些组项，帮助用户实现ANSYS图形用户界面（GUI）的用户化，以使用户开发的程序融入ANSYS环境中。 　　（4）用户可编程特性 　　UPFs提供了一套FORTRAN77函数和例程以扩展或修改程序的功能，用户可以利用它从开发程序源代码的级别上对ANSYS的功能加以扩充，也可以将ANSYS程序剪裁成符合自己所需的任何组织形式，而且还可以编写自己的优化算法，通过将整个ANSYS作为一个子程序调用的方式加以实现。 　　4.2齿轮轴有限元分析模块的实现 　　笔者对齿轮轴的有限元分析模块的开发，是基于VC＋＋和ANSYS的接口技术，利用VC＋＋对ANSYS进行二次开发，借助于VC＋＋友好、易于开发的人机交互界面，对齿轮轴进行参数化的分析，将分析过程中难以理解和掌握的ANSYS命令流加以封装，转为后台处理，用户只需输入齿轮轴分析过程中所需的参数值，应用程序会自动进行参数化的建模、分析和求解，分析计算结束后会将分析结果返回给用户，可提高设计的效率和质量，充分体现专业化、用户化和便捷化的特点。 　　4.2.1参数化建模、分析及其求解 　　在对齿轮轴进行有限元分析的过程中，我们对模型作以下的简化： 　　（1）为了加工方便或美观而设置的凹槽、凸台、过渡圆角及倒角等，在承载过程中对轴的影响很小，在建模过程中我们不予考虑；（2）本模块的开发主要是针对齿轮轴的初始设计阶段，故省略对键槽的建模，只对光轴进行有限元分析；（3）为了根据实际情况尽量准确建模，在施加约束时，将齿轮轴简化为一端固定，一端滑动的简支梁支承结构。 　　对齿轮轴进行有限元分析的过程中，针对每个模型的不同尺寸，我们采用将变量以参数的方式通过用户在可视化的VC界面中加以输入，从而得到不同尺寸的模型、不同的命令流文件以及不同的分析结果，体现通用性的特点。 　　下面是生成的某齿轮轴有限元分析的部分命令流语句： 　　…… 　　ET，1，PLANE42／／定义单元类型！＊ET，2，SOLID45！＊…… 　　MPDATA，EX，1，，2e11／／2e11是用户输入的参数：弹性惯量MPDATA，PRXY，1，，0.3／／0.3是用户输入的参数：泊松比…… 　　K，3，16，12.5，0，／／生成关键点，其中16和12.5是通过用户输入得到…… 　　AMESH，＿Y1／／对面划分网格…… 　　F，P51X，FY，173.8／／加力…… 　　DA，P51X，ROTZ，FLST，2，4，5，ORDE，4FITEM，2，3／／对编号为3的面施加绕Z轴转动的约束，编号3由参数：轴承所在的段数得到…… 　　SOLVE／／求解PLNSOL，S，EQV，0，1／／绘制等效应力图…… 　　另外，我们对齿轮轴的有限元分析模块的开发，只对它进行静力学分析和动力学中的模态分析，由于轴在正常的运转过程中，是平稳运转，故不需要对轴进行瞬时动力学分析和相应分析，用户可根据实际情况自行分析。 　　4.2.2齿轮轴分析参数输入界面 　　本论文对齿轮轴的整个分析过程，均采用参数化的方式。纵观整个分析过程，对于模型的几何参数来说，具体数目要依据于齿轮轴的段数而定（一般是轴段数的2倍）；材料参数比较固定，只有弹性模量、泊松比和材料密度3个参数，对于载荷参数，则相对多一些，比如传递的功率、转速、齿轮分度圆直径、压力角等。 　　同时，针对不同类型的参数，要对参数进行数据的验证，保证每个参数输入数据的正确性。其分析参数输入界面。 　　4.2.3VC＋＋6.0与ANSYS接口的实现方法 　　在应用程序的开发过程中，VC＋＋6.0与ANSYS接口的实现是极其重要的，如何在VC＋＋中调用ANSYS应用程序并将命令流文件自动加载进行分析，是开发的关键。 　　在VC＋＋中如何自动调用ANSYS应用程序，我们可以使用WinExec函数即可实现，此函数有两个参数，第一个参数是要调用的应用程序的加载地址，第二个参数则是窗口模式。本系统中对ANSYS应用程序的调用函数如下： 　　WinExec（″D：＼＼ProgramFiles＼＼AnsysInc＼＼v80＼＼ANSYS＼＼bin＼＼intel＼＼ansys80.exe″，SW＿SHOW）；ANSYS应用程序运行后，初始的工作路径是C：＼DocumentsandSettings＼UserName，同时注册表里会记录一些信息，如初始工作路径，文件名等。要实现对命令流文件自动加载并进行分析，必须在接口程序中使用Windows提供的注册表编辑API（ApplicationProgrammingInterface）函数对注册表信息进行修改，将初始工作路径和文件名修改为用户所设定的齿轮轴分析命令流文件的存储位置和文件名，这样，ANSYS软件的批处理程序才能从给定的路径下读取该命令流文件从而进行分析求解。部分程序如下所示： 　　L＿Ansys＝RegSetvalueEx（hSubKey，″Extension″，0，REG＿SZ，（LPBYTE）″txt″，3）；／／设置生成的命令流文件的扩展名…… 　　L＿Ansys＝RegSetvalueEx（hSubKey，″Jobname″，0，REG＿SZ，（LPBYTE）″SHAFT″，5）；／／设置生成的命令流文件名…… 　　L＿Ansys＝RegSetvalueEx（hSubKey，″WorkingDirectory″，0，REG＿SZ，（LPBYTE）″F：＼＼ANSYS＼＼SHAFT″，16）；／／设置ANSYS运行后初始的工作路径…… 　　5设计实例 　　（1）分析参数某齿轮轴输入功率为P＝5.5kW，转速为：n＝180r／min，直齿轮分度圆直径为d＝200mm，压力角！＝20°，杨氏模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7.8×103kg／m3（模型几何参数略）；（2）VC＋＋环境下，对程序进行编译和链接，并运行程序，在弹出的参数输入界面中输入齿轮轴的各基本参数；（3）点击“静力学分析”按钮（或者模态分析按钮），将生成该模型的静力学分析（模态分析）命令流文件，同时自动启动ANSYS软件，加载命令流文件，进行该模型的有限元分析；（4）查看分析的结果。 　　6结语 　　在对常用机械传动件齿轮轴进行有限元分析时，为了提高分析和设计效率，运用APDL语言，对ANSYS进行了二次开发，实现了齿轮轴有限元分析的参数化建模与有限元分析的信息化。但是，此模块的开发还存在着一些不足，在参数化建模过程中忽略了键槽的建模，这是不符合实际的；同时，此模块还不能适用于所有的轴类零件，通用性不够，还需要进一步的完善和开发。